煙葉烤房溫濕度自動(dòng)控制儀的設計

摘要：介紹了利用模糊控制技術(shù)研制的基于單片機的KF-1型煙葉烤房溫濕度控制儀的軟硬件設計。本控制儀使烤房?jì)鹊臏貪穸劝凑諢熑~最佳生化控制曲線(xiàn)而變化，從而提高了烤房?jì)葴貪穸鹊目刂凭群涂緹熧|(zhì)量。 關(guān)鍵詞：溫度控制 模糊控制技術(shù) 嵌入式單片機 AT90S8535 煙葉成熟采摘后必須經(jīng)過(guò)烘烤加工才能制成工業(yè)用煙。這個(gè)烘烤過(guò)程一般需要幾十個(gè)小時(shí)，完全由人工控制烤房燃燒室的火車(chē)并監測烤房溫度，所以煙農勞動(dòng)強度很大；而且不能精確控制烤房?jì)鹊臏貪穸?，也不能對烤程精確計時(shí)，使烤出的煙葉工業(yè)利用率較低。為解決上述問(wèn)題，開(kāi)發(fā)了KF-1型煙葉烤房溫濕度自動(dòng)控制儀。該控制儀采用嵌入式單片機作為控制器，智能監測傳感器溫濕度的變化，并根據煙順烤制過(guò)程中的最佳生化控制曲線(xiàn)，利用模糊控制技術(shù)控制執行機構，保證烤房?jì)葴貪穸葒栏癜凑兆罴焉刂魄€(xiàn)變化，從而提高了烤房?jì)葴貪穸瓤刂凭燃翱緹熧|(zhì)量，減輕了煙農的勞動(dòng)強度。1 硬件系統的設計 KF-1型煙葉烤房溫濕度自動(dòng)控制儀是針對國家煙草局在閩南地區推廣的煙葉烤房項目而設計的。這種類(lèi)型的煙葉烤房前后均開(kāi)設一個(gè)“門(mén)”，前門(mén)負責煤燃燒室的給風(fēng)。需要增加火力升溫時(shí)加大前門(mén)的開(kāi)啟量，從而使得烤房?jì)葴囟壬?；反之減小其開(kāi)啟時(shí)甚至關(guān)閉，使得烤房?jì)葴囟冉档?。后門(mén)用于調整烤房的濕度，濕度過(guò)高時(shí)加大后門(mén)的開(kāi)啟量；反之減小其開(kāi)啟量甚至關(guān)閉。KF-1型煙葉烤房溫濕度自動(dòng)控制儀的硬件結構如圖1所示。1.1 主控芯片 為了降低控制儀的成本并減小體積，主控芯片（CPU）選用美國ATMEL公司的嵌入式單片機AT90S8535[1]。該芯片內部具有的8通道10位精度ADC，可滿(mǎn)足溫度轉換的精度要求；其內部的8K字節在線(xiàn)可編程FLASH、512字節SRAM及512字節在線(xiàn)可編程EEPROM可滿(mǎn)足編程調試的需要；32個(gè)可編程的I/O接口中除PA口用于A(yíng)/D轉換外，其它I/O接口可接顯示電路、鍵盤(pán)輸入及預設置電路和執行機構的驅動(dòng)電路等。這樣，使用一片40腳的DIP芯片就可以完成設計要求，調試方便、控制靈活。1.2 信號采集保持電路 信號采集保持電路如圖2所示。KF-1型煙葉烤房溫濕度自動(dòng)控制儀最多可處理6路溫度和濕度輸入信號，圖2所示為其中的一路。溫、濕度傳感器選用半導體熱敏電阻，運放選用精密運算放大器OP07，集成穩定塊7805給OP07的正輸入端提供基準電壓，傳感器采集的溫、濕度信號送到OP07的負輸入端，電位器W1用于調節采樣基準，電位器W2用于調整運放的放大倍數。多路溫、濕度傳感器采集的溫、濕度信號分別經(jīng)過(guò)信號采集保持電路處理后送到AT90S8535的PA口進(jìn)行A/D轉換。1.3 LCD顯示驅動(dòng)電路 LCD顯示驅動(dòng)電路的硬件構成如圖3所示。顯示器用于顯示煙葉烘烤過(guò)程的設定溫濕度值、實(shí)時(shí)檢測的溫濕度值和烤程計時(shí)時(shí)間。這里選用帶背光的字符型液晶顯示器GXM0802BSL。這款液晶顯示器可顯示兩行字符，每行八位。AT90S8535的PC0～PC7和LCD的八位數據線(xiàn)連接，PD4～PD6與LCD的控制線(xiàn)連接，通過(guò)軟件編程實(shí)現顯示功能。1.4 按鍵和預置設置輸入及報警電路 本控制儀設計有兩個(gè)按鍵，一個(gè)用于設定溫、濕度顯示和實(shí)時(shí)檢測溫、濕度顯示之間的切換，另一個(gè)用于實(shí)現自動(dòng)控制和人工控制之間的切換。兩個(gè)按鍵分別通過(guò)74LS20接外中斷1，同時(shí)與AT90S8535的PD0和PD1口連接。當有按鍵按動(dòng)時(shí)，產(chǎn)生一個(gè)中斷信號，由中斷服務(wù)程序掃描PD0和PD1口，確定是哪一個(gè)按鍵請求中斷，然后調用相應的服務(wù)程序。報警電路選用聲光報警，當實(shí)際溫度和設定溫度的差值超出預定范圍時(shí)，聲光自動(dòng)報警的同時(shí)控制執行機構的驅動(dòng)電路動(dòng)作。另外，A/D轉換接口的PA6、PA7分別接一個(gè)精密電位器，用于預置溫濕度值。在按動(dòng)溫度設定按鍵后，手動(dòng)調節精密電位器來(lái)設定溫濕度，然后在一次按動(dòng)溫度預定鍵予以確認。其硬件構成如圖4所示。1.5直流電機驅動(dòng)電路 直流電機驅動(dòng)電路的硬件結構如圖5所示。本控制儀的執行機構是兩個(gè)直流電機。用于控制前后風(fēng)門(mén)的開(kāi)啟量。兩個(gè)直流電機的驅動(dòng)電路完全相同，圖5中僅給出了一路驅動(dòng)電路的示意。直流電機的驅動(dòng)由八路功率驅動(dòng)芯片ULN2803A和微型繼電器實(shí)現。AT90S8535 PB口的高四位通過(guò)ULN2803A中的四路分別控制兩個(gè)直流電機的正反轉。前后風(fēng)門(mén)各加兩個(gè)起保護作用的限位開(kāi)關(guān)，四個(gè)門(mén)限信號通過(guò)74LS20送到外中斷0，同時(shí)分別和AT90S8535的PB口低四位連接，一旦有門(mén)限信號產(chǎn)生，中斷服務(wù)程序則掃描PB口低四位，確定信號位置后立刻關(guān)斷相應的電機。 2 軟件設計 在煙葉烤房溫度控制這樣的強時(shí)變、大時(shí)滯、非線(xiàn)性系統中，模糊控制的控制效果比傳統的PID等控制方法有著(zhù)明顯的優(yōu)勢，它具有達到設定溫度時(shí)間短、穩態(tài)溫度波動(dòng)小、反應靈敏、抗干擾能力強、節省電能等優(yōu)點(diǎn)。單片機技術(shù)已是目前常用的控制技術(shù)，把模糊控制的方法和單片機控制技術(shù)結合起來(lái)，可使本控制儀的性能指標達到最優(yōu)。 國家煙草局推廣的煙葉三段式烘烤工藝使煙葉的工業(yè)成品率有了很大的提高。該工藝將煙葉的烘烤過(guò)程分為三個(gè)階段，第一階段為變黃期，第二階段為定色期，第三階段為烘干期。各階段中對烤房的溫度要求如圖6所示。KF-1型煙葉烤房溫濕度自動(dòng)控制儀的軟件控制方式是為實(shí)現該工藝的溫度控制曲線(xiàn)而設計的。在三段式煙葉烘烤過(guò)程中，溫度控制曲線(xiàn)要求第一、三段的升溫按照每小時(shí)1℃的固定斜率均勻升溫，第二段的升溫按照每小時(shí)0.5℃的固定斜率均勻升溫。溫度確定確認后，單片機首先根據輸入的各烤程溫度設定值（即該烤程的恒溫值）確定升溫斜率以及和升溫斜率對應的定時(shí)間隔；接著(zhù)將采集到的環(huán)境溫度作為起始溫度值，并按照確定的時(shí)間隔將起始溫度值不斷地均勻提升為新的設定值；然后由模糊控制程序根據控制精度跟隨這個(gè)均勻提升的設定值對烤房溫度進(jìn)行控制。當烤房?jì)冗@個(gè)均勻提升的設定值對烤房溫度進(jìn)行控制。當烤房?jì)葴囟冗_到烤程的溫度設定值時(shí)，結束升溫控制過(guò)程，進(jìn)入恒溫控制狀態(tài)?？痉?jì)葷穸鹊目刂品绞胶蜏囟瓤刂品绞筋?lèi)似?？刂瞥绦蛄鞒倘鐖D7所示。圖9外中斷0服務(wù)程序用于判斷門(mén)限信號的位置并強行停止相應的電機運轉，其流程圖如圖8所示。外中斷1服務(wù)程序用于處理按鍵請求，如果是溫濕度預置鍵請求，則完成溫濕度預置后返主程序；如果是控制方式切換請求，則設置標志位后返回主程序。其流程如圖9所示。圖10程序中烤程計時(shí)由計時(shí)中斷服務(wù)程序實(shí)現。計時(shí)顯示小時(shí)和分鐘。對AT90S8535的16位定時(shí)/計數器1進(jìn)行1/1024分頻，設定初值使其每6秒鐘產(chǎn)生一次中斷，10次中斷為一分鐘。程序流程如圖10所示。 linux操作系統文章專(zhuān)題:linux操作系統詳解（linux不再難懂）